Технология СВЧ: генерация, передача и связь — подробный разбор

СВЧ-связь: основы и принципы

Сверхвысокочастотные (СВЧ) волны — электромагнитные волны с частотами выше 300 МГц и длиной волны менее 1 м. Связь, использующая СВЧ-диапазон как среду передачи, называется СВЧ-связью.

Роль ЭМ-волн и антенн в СВЧ-связи

В СВЧ-связи модулированные сигналы излучются передающей антенной в свободное пространство, а принимающая антенна их регистрирует. Генерация и передача СВЧ осуществляются через резонансные полости и волноводы (металлические полости в проводящем материале, настроенные на определенную частоту — объемные резонаторы). Передача идет по линии прямой видимости (Line-of-Sight): обе антенны должны находиться в прямой видимости друг от друга на вышках.

СВЧ-диапазон (0,3–300 ГГц) делится на три полосы:

• Ультравысокочастотная (UHF): 0,3–3 ГГц.
• Сверхвысокочастотная (SHF): 3–30 ГГц.
• Экстремально высокочастотная (EHF): 30–300 ГГц.

Обычные электронные лампы не годятся для генерации СВЧ из-за паразитной индуктивности и емкости между электродами, ограниченной скорости электронов. Нужны специальные СВЧ-лампы (магнетрон, клитрон, бегучая волна), выдающие от единиц до сотен ватт. Рассмотрим подробнее магнетрон.

Магнетрон: устройство и принцип работы

Магнетрон — цилиндрический диод, служащий СВЧ-генератором (автогенератором) в СВЧ-технике. Изобретен британцами Рэндаллом и Бутом.

Конструкция магнетрона

Циллиндрический анод состоит из 8 (четное число) медных резонансных полостей вокруг нагреваемого вольфрамного катода. Размеры полостей подбираются под частоту генерации. Коаксиальный кабель выводит сигнал из одной полости; при высоких мощностях используют волноводы.

Принцип действия основан на взаимодействии радиального электрического и осевого магнитного полей (как в лампе с бегучей волной). Электрическое поле ускоряет электроны по радиусу к аноду, магнитное — заставляет их двигаться по спирали.

• При H=0 электроны летят к аноду по радиусу (траектория X).
• При слабом H траектория искривляется (Y).
• При критическом H (поле отсечки) электроны лишь касаются анода и возвращаются к катоду (Z).
• При дальнейшем увеличении H электроны не достигают анода, нагревают катод до опасных температур.

Поддерживая определенное магнитное поле, получают стабильную частоту. Магнетрон генерирует 900 МГц – 2,5 ГГц при мощности 300 Вт – 10 кВт с КПД ~70%.